大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置的制作方法

1.本实用新型涉及红外光学材料的生产加工及其应用技术领域，特别是一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置。


背景技术：

2.锗单晶材料具有良好的透红外性能、较高的折射指数、低色散、不潮解、机械强度高和化学稳定性好等优点，广泛应用于红外探测和热成像系统，是目前最理想的红外光学材料之一，是热成像仪光学系统(8-12μm波段)的首选红外材料，用于加工红外光学透镜、红外光学窗口等红外光学元件。应用于星载、舰载、机载的红外相机或热成像仪的国家自主可控需求日益增长，这些装备需要大尺寸锗光学材料，用于制作其光学系统的红外光学透镜、红外光学窗口等光学元件。
3.应用于红外光学和电子、太阳能方面的锗材料，通常需要生长为锗单晶，目前，最常用的锗单晶生长方法主要有cz（直拉）法和vgf（垂直梯度凝固）法两种。直拉法生长φ300mm以下口径尺寸红外锗单晶直拉生长技术已经相对成熟，但φ300mm以上口径锗单晶直拉生长，依然是锗单晶直拉生长的工艺瓶颈和技术短板，限制和制约着大尺寸红外光学元件的发展和应用，大尺寸锗单晶直拉生长技术存在的主要问题是，用现有设备进行制备，不仅设备结构复杂，技术难度大，制备出来的锗单晶成晶率低，还存在后续成型加工困难，运行周期长、原料用量大、生产成本高的实际问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置，解决用现有设备进行大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备存在设备结构复杂，技术难度大，制备出来的锗单晶成晶率低，还存在后续成型加工困难，运行周期长、原料用量大、生产成本高的实际问题。
5.为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置，包括加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置，所述加热系统设置在隔热保温系统内，模具装置则设置在加热系统内，模具装置的底部与转动升降装置相连，所述转动升降装置的下部从加热系统和隔热保温系统底部的中心穿过。
7.作为本实用新型的进一步优选，所述加热系统包括上加热器、下加热器和底加热器，所述上加热器设置在隔热保温系统内壁的上部，下加热器设置在隔热保温系统内壁的下部，所述底加热器则设置在隔热保温系统内腔的底部。
8.作为本实用新型的进一步优选，所述的隔热保温系统为圆筒形结构。
9.作为本实用新型的进一步优选，所述的转动升降装置包括从下到上依次设置的转动轴和托盘，所述托盘的顶部与模具装置的底部相接，所述模具装置的内底面为平整的光滑面。
10.作为本实用新型的进一步优选，所述加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置均为由高纯热压石墨或复合碳-碳复合材料加工制成。
11.作为本实用新型的进一步优选，所述加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置均设置于真空炉中。
12.上述装置结构简单，用上述装置制备大尺寸红外光学用锗窗口材料时包括如下步骤：
13.s1、首先将模具装置升至加热系统的上层加热区域，然后将高纯锗锭装入模具装置中，装料量由所制备的锗晶体材料的形状、厚度或尺寸大小决定；
14.s2、再按一定质量比加入掺杂剂；
15.s3、抽真空、充保护气体，开启加热系统中的上加热器，将高纯锗锭加热熔化，待高纯锗锭融化后降温至一定温度，恒温，搅动摇匀；
16.s4、再启动加热系统中的下加热器和底加热器，升温至一定温度后恒温，加热系统中的下加热器和底加热器与上加热器具有温度差；
17.s5、利用转动升降装置将模具装置按5-40mm/h的速度匀速向下带至加热系统的下层加热区域；
18.s6、保持下层加热区域恒温5-20h；
19.s7、按3-15 ℃/h这样的降温速率将加热系统降温至室温，温度降至室温后取出得到的锗晶体。
20.与现有技术相比，本实用新型至少能达到以下有益效果中的一项：
21.1、该大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置结构简单、操作简便，易于控制。
22.2、使用该制备装置进行大尺寸红外光学用锗窗口材料的制作，高效、快捷，节约原材料，生产成本低。
附图说明
23.图1 为本实用新型大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置的结构示意图。
24.图2为本实用新型模具装置的俯视图。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.具体实施例1：
32.图1、图2示出了一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置，包括加热系统1、隔热保温系统2、转动及升降装置3和模具装置4，所述加热系统1设置在隔热保温系统2内，模具装置4则设置在加热系统1内，模具装置4的底部与转动升降装置3相连，所述转动升降装置3的下部从加热系统1和隔热保温系统2底部的中心穿过。
33.具体实施例2：
34.本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1进行了进一步的说明，所述加热系统1包括上加热器11、下加热器12和底加热器13，所述上加热器11设置在隔热保温系统2内壁的上部，下加热器12设置在隔热保温系统2内壁的下部，所述底加热器13则设置在隔热保温系统2内腔的底部。
35.具体实施例3：
36.本实施例是在具体实施例1的基础上对隔热保温系统2进行了进一步的说明，所述的隔热保温系统2为圆筒形结构。
37.具体实施例4：
38.本实施例是在具体实施例1的基础上对转动升降装置3进行了进一步的说明，所述的转动升降装置3包括从下到上依次设置的转动轴31和托盘32，所述托盘32的顶部与模具装置4的底部相接，所述模具装置4的内底面为平整的光滑面。
39.具体实施例5：
40.本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4的制作材料进行了进一步的说明，所述加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4均为由高纯热压石墨或复合碳-碳复合材料加工制成。
41.具体实施例6：
42.本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4的设置位置进行了进一步的说明，所述加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4均设置于真空炉中。
43.上述装置结构简单，用上述装置制备大尺寸红外光学用锗窗口材料时包括如下步
骤：
44.s1、首先将模具装置升至加热系统的上层加热区域，然后将高纯锗锭装入模具装置中，装料量由所制备的锗晶体材料的形状、厚度或尺寸大小决定；
45.s2、再按一定质量比加入掺杂剂；
46.s3、抽真空、充保护气体，开启加热系统中的上加热器，将高纯锗锭加热熔化，待高纯锗锭融化后降温至一定温度，恒温，搅动摇匀；
47.s4、再启动加热系统中的下加热器和底加热器，升温至一定温度后恒温，加热系统中的下加热器和底加热器与上加热器具有温度差；
48.s5、利用转动升降装置将模具装置按5-40mm/h的速度匀速向下带至加热系统的下层加热区域；
49.s6、保持下层加热区域恒温5-20h；
50.s7、按3-15 ℃/h这样的降温速率将加热系统降温至室温，温度降至室温后取出得到的锗晶体。
51.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。